烏東德水電站上游圍堰防滲墻生產性試驗施工

(1.湖北水利水電職業技術學院，湖北 武漢 430070；2.中國葛洲壩集團基礎公司，湖北 宜昌 443002)

1 工程概況

烏東德水電站是金沙江下游河段四個水電梯級—烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩中的最上游梯級，為Ⅰ等大(1)型工程，大壩、泄水建筑物、引水發電建筑物等主要建筑物為1級建筑物，其他次要建筑物為3級建筑物。烏東德水電站的開發任務以發電為主，兼顧防洪，電站裝機容量10200MW，多年平均發電量389.3億kW·h。

大壩上、下游圍堰均采用復合土工膜+塑性混凝土防滲墻+墻下帷幕灌漿的防滲方案。上游圍堰防滲墻施工平臺高程為832.50m，混凝土防滲墻最大深度90.5m，厚度1.2m；帷幕底線高程727.00m，防滲帷幕沿兩岸堰肩接堰頂873.00m高程灌漿平洞，帷幕灌漿最大孔深130m(左堰肩)。防滲墻在開始施工前要求先進行生產性試驗，上游試驗段施工在上游圍堰右岸肩防滲墻軸線832.5m高程平臺進行，試驗段部位樁號0+171.00～0+211.20。試驗段軸線長度為40.2m，共9個槽孔,其中一期槽孔(SF36、SF38、SF40、SF42、SF44)長4.2m,二期槽孔(SF37、SF39、SF41、SF43)長7.2m。施工開始于2014年11月25日，歷時140天，成墻面積2346.83m2

2 工程地質條件

上游圍堰部位河床覆蓋層按物質組成可分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三大層。

Ⅰ層順河向厚度變化較大，一般厚4.19～12.39m，最厚19.81m；橫河向上中間厚、兩岸薄。主要為河流沖積堆積的卵、礫石夾碎塊石。

Ⅱ層在順河向上總體厚度較均勻，一般厚17.82m～23.10m，在圍堰外坡腳處尖滅。橫河向上厚度變化不大。為崩塌與河流沖積混合堆積，崩塌塊石、碎石夾少量含細粒土礫(砂)透鏡體。

Ⅲ層在縱、橫河向上分布均勻，一般厚15～17m。主要為現代河流沖積形成的砂礫石夾卵石及少量碎塊石，物質成分較混雜，為灰巖、大理巖、砂巖、白云巖及輝綠巖等。偶見粉細砂、中細砂透鏡體。

堰基河床覆蓋層下伏基巖為灰白色極薄～薄層大理巖化白云巖，偶見中厚層灰巖、白云巖。

3 生產試驗目的

a.選擇合適的造孔機具，通過試驗論證適合烏東德水電站地層特點的防滲墻施工設備、施工措施、施工方法和接頭孔施工方法。

b.研究不同地層及深度成墻須采用的施工工藝及處理措施，取得固壁泥漿、墻體材料等參數。

c.研究沖擊鉆機造孔(沖積含漂石砂卵礫石層)的施工方法及工效，研究抓斗能抓挖施工的最佳地層及最適宜的副孔長度。

d.對陡坡崁巖成槽工藝、基巖取樣等綜合方法進行研究，保證陡坡防滲墻崁巖質量滿足要求。

e.通過試驗找出適用于該工程地層的施工機械最優化組合型式。

4 試驗施工準備

4.1 施工設備選擇

CZ-9、ZZ-6A沖擊鉆機具有地層適應性強，鉆機功率大、鉆進速度快等特點；SH885型鋼絲繩抓斗，主機為水冷渦輪增壓柴油發動機，抓體為可旋轉式，最大額定總起重量90T,抓取能力強，旋轉半徑大，發動機返修率低、保證率高；泥漿凈化器采用ZX-200;接頭管采用YBG400∕1100-3液壓拔管機；巖芯取芯采用XY-2B、200型地質鉆機。

4.2 施工導墻及施工平臺澆筑

導向槽兩側的導墻設計充分考慮沖擊鉆機、拔管機、抓斗等設備對墻體的壓力，墻體結構及標號均能滿足拔管的要求。導墻設計為C30鋼筋混凝土結構，導墻斷面設計為梯形，導墻高度2.0m；前導墻底寬1.5m、頂寬0.8m；后導墻底寬1.5m、頂寬0.8m；兩墻間距1.3m。導向槽采用反鏟開挖基槽，導向槽模板采用鋼模板，鋼管支撐，導向槽混凝土采用拌和系統供應混凝土，混凝土攪拌車運輸，混凝土澆筑采用溜槽直接入倉。倒漿平臺表面澆筑厚30cm鋼筋混凝土，排漿溝凈寬70cm,澆筑厚30cm鋼筋混凝土。

5 試驗施工過程及質量控制

5.1 施工工序

施工準備→測量放樣→導向槽施工→倒漿平臺施工→鋪設軌道枕木→安裝鉆機設備→主孔鉆進→先導孔施工→主孔終孔→副孔劈打→打小墻→修孔壁→終孔驗收→槽孔清孔→清孔驗收→預埋管制作安裝→接頭管下設(一期槽)→導管下設→混凝土澆筑→質量驗收。

5.2 槽段劃分

根據該工程的地質條件及施工設備的特點，借鑒烏東德左岸進出口圍堰防滲墻和向家壩圍堰防滲墻施工的經驗，孔深小于60m且緩坡段的一、二期槽長一般劃分為7.2m，孔深大于60m或陡坡段的一期槽長劃分為4.2m，二主一副，二期槽槽長劃分為7.2m，三主二副，副孔寬均為1.8m，槽段之間相互套接。上游圍堰防滲墻從左向右初步劃分為50個單元槽，槽段編號為SF1～SF50，其中SF36～SF44為試驗段。試驗段分9個槽孔施工，其中一期槽SF36、SF38、SF40、SF42、SF44采用“兩鉆一抓”的成槽工藝，按三孔布置，2個主孔，1個副孔，副孔由沖擊鉆、抓斗配合施工；二期槽SF37、SF39、SF41、SF43采用“三鉆兩抓”的成槽工藝，按五孔布置，3個主孔，2個副孔，副孔由沖擊鉆、抓斗配合施工。槽段典型劃分示意圖如下圖所示。

槽段典型劃分示意圖 (單位：m)

5.3 泥漿固壁

根據工程實際情況和設計要求，采用MMH正電膠、Ⅱ級鈣基膨潤土、燒堿、純堿等復合材料制備的MMH正電膠泥漿對槽孔孔壁進行護壁。

根據以往類似工程施工經驗及該工程地層結構及其特點，經過現場泥漿試驗，最終選定泥漿參考配合比見表1，新泥漿性能指標檢測結果見表2。

表1 正電膠泥漿參考配合比 (單位：kg)

表2 新制正電膠泥漿性能指標

5.4 造孔

防滲墻主孔采用CZ-9、ZZ-6A沖擊鉆機鉆孔，副孔采用SH885抓斗配合鉆機施工；

根據工程的地質條件，防滲墻成槽施工主要采用“循環鉆進兩鉆一抓法”，輔助“劈打法”和“平打法”進行。“循環鉆進兩鉆一抓法”成槽施工方法是將深厚覆蓋層防滲墻成槽施工劃分為若干個循環、分段成槽施工。每個循環施工以槽深10m為宜。各循環內成槽施工時，也劃分為主孔、副孔，在泥漿固壁的條件下，先施工主孔，再抓挖副孔。主、副孔深度錯開不小于5m。一個循環施工完畢后，再進行下一個循環施工，直至終孔。

5.5 先導孔施工

在防滲墻主孔孔深接近設計基覆基巖面上部2.0～1.0m或當沖擊鉆進尺緩慢時開始按段長0.2～0.3m抽渣取樣，直至基巖成分達到一定比例后方可上地質鉆鉆孔取芯，先導孔施工后，由圍堰防滲墻基巖鑒定小組確定基巖面深度，并據此指導其他主孔和副孔的施工。對基巖判定困難的先導孔，輔助超聲波檢測進行準確判定基巖面。

5.6 清孔換漿

由于防滲墻的槽孔較深，清孔采用氣舉反循環法和傳統抽筒法。

采用抽筒排渣或氣舉反循環排渣，經凈化后的泥漿可以再重復使用，混凝土澆注時將未被污染的泥漿抽出送至其他槽孔或泥漿池重復利用，被污染的泥漿排放到廢漿池，沉渣由反鏟清挖、自卸汽車運至指定的棄渣場。

5.7 預埋灌漿管施工

防滲墻墻厚1.2m，在墻體內預埋單排直徑為(外徑)108mm的無縫鋼管做為墻底帷幕灌漿鉆孔，防滲墻預埋灌漿管孔距1.5m，并根據監理指示增加墻下帷幕灌漿檢查孔預埋管。

一期槽鋼筋骨架長度一般為1.3m(預埋管外置)，后根據二期槽接頭孔施工時對預埋管的損傷情況，將一期槽鋼筋骨架長度調整為1.2m(預埋管外置)，二期槽一般為4.6m(預埋管內置)。預埋管尾管根據灌漿管所處的部位對應槽孔底部高程的變化，準確調整灌漿管底部的深度與之相適應，預埋管深度一般比實際孔深淺0.2～0.3m，以保證預埋管的垂直度。

5.8 水下混凝土澆筑

a.混凝土墻體材料指標。?水泥：采用42.5級普通硅酸鹽水泥；?粗骨料：粒徑5～20mm，含泥量<0.4%，表觀密度≥2550kg/m3，堅固性<15%；?砂：細度模數2.4～2.8，含泥量<5%，含水量<5%，表觀密度≥2500kg/m3，最大粒徑小于5mm，不均勻系數為8～12；?黏土、膨潤土：應滿足制泥漿用土料要求；?水：符合拌制混凝土用水要求。

b.混凝土拌制。墻體混凝土由混凝土生產系統統一拌制，混凝土配合比由葛洲壩烏東德施工局中心試驗室根據設計要求經試驗確定，混凝土配合比見表3，后根據混凝土試驗成果對配合比進行了調整。配合比1僅用于SF42號槽段，配合比2應用槽段為SF36、SF38、SF40、SF44、SF46、SF48、SF49、SF50八個槽段，配合比3應用于其他槽段。

c.混凝土澆筑。混凝土灌注采用直升導管法。槽孔墻體預埋件安裝就位后，下設φ250mm鋼制導管，導管為絲扣連接。導管安裝采用人工配合鉆機下設，Ⅰ期槽采用兩套導管，Ⅱ期槽采用三套導管，導管間最大間距不宜大于4.0m，導管中心距槽孔端部的距離為1.0～1.5m。當槽孔底部高差大于25cm時，導管布置在其控制范圍的最低處。混凝土在清孔合格后4h內開始澆注，并連續進行。

表3 防滲墻混凝土施工配合比

5.9 防滲墻槽段連接

根據該工程的施工特點，槽段連接采取接頭管法，即在清孔換漿結束后，在一期槽兩端孔位置下設φ110cm鋼制接頭管，孔口固定，在混凝土澆筑過程中，根據混凝土初凝時間、混凝土面上升速度及上升高度起拔接頭管。混凝土澆筑后接頭管部位形成二期槽端孔，待二期槽成槽后連接成墻。接頭管分節制作，插銷連接，采用液壓拔管機起拔。

6 施工成果分析

6.1 混凝土取樣試驗成果

混凝土澆筑前，試驗人員均在現場抽取試樣裝模、養護7d、28d后進行抗壓強度、抗滲、彈模試驗，上游圍堰防滲墻試驗段混凝土強度檢測共計31組，最大值為6.7MPa，最小值為3.4MPa，平均值為4.83MPa，其中2組強度低于4MPa，但不低于設計標準值的75%，另外27組強度不低于強度標準值的百分率為100%；上游試驗段混凝土滲透系數共檢測5組，最大值為6.44×10-8cm/s，最小值為2.60×10-8cm/s其均小于設計值1×10-7cm/s；彈性模量共計檢測1組，彈性模量為718MPa,其指標滿足設計要求。

6.2 墻體跨孔聲波檢測

墻體跨孔聲波分別對試驗段SF36槽、SF44槽進行不同齡期的聲波檢測，其檢測結果為:在所檢測深度范圍內每一齡期檢測波速比較均一，無明顯低波速點，并且隨著齡期時間的增加，波速也相應的提高。

6.3 檢查孔注水試驗成果

施工結束28d 后, 由業主及監理工程師指定, 在試驗段SF40槽布置了一孔進行取芯、分段注水試驗。注水試驗分11段進行,巖芯采取率達到98%以上, 巖芯完整。

從試驗結果可知,孔段最小滲透系數為0cm/s,最大滲透系數為1.27×10-8cm/s，均小于設計值1.0×10-7cm/s。試驗各項指標均滿足要求。

6.4 外觀質量

成墻后, 檢查孔通過地質鉆機鉆孔取芯, 從芯樣外觀上看, 墻體均勻、平整，無蜂窩麻面、無夾泥、空洞、斷墻等質量缺陷。

6.5 施工工效分析

上游圍堰防滲墻試驗段造孔工效根據試驗數據統計，主孔進度小于副孔進度，淺孔進度高于深孔進度，且各孔進度不均勻。

抓斗施工是在兩邊主孔施工到一定深度后根據主孔鉆進過程中孔內情況進行的，抓斗抓挖過程中受地質條件制約較大，SF42抓斗抓挖至5m處嚴重漏漿，SF43抓斗抓挖至6m處嚴重漏漿；SF42抓斗抓挖至27m處遇大塊石，塊石直徑不等,最大達1.35m×0.85m×0.6m，SF38-2抓斗抓挖至24m處遇大塊石,塊石直徑達1.10m×0.60m×0.55m，因此漏漿及大塊石較多制約了其工效的發揮,經過試驗數據分析，試驗段施工抓斗平均功效84.71m2/d。

結合現場實際情況分析，造孔工效主要受操作人員水平、地質條件、地質鉆取芯等其他因素的影響。

7 結論及建議

7.1 結論

a.試驗槽段中施工的最深槽孔平均墻深達到62m,達到了預期的效果，下一步深槽施工是可行的。

b.該次防滲墻試驗孔深、孔寬、孔斜等技術指標均滿足設計及規范要求。

c.通過試驗可以看出，CZ-9型沖擊鉆機、ZZ-6A鉆機的工效和性能均能滿足技術條件，但對于超過50m深度后的造孔，ZZ-6A鉆機明顯優于CZ-9鉆機，大壩圍堰深槽施工可首選ZZ-6A型號鉆機，而且必須配備4.5T以上重型鉆頭，0～50m深度部位可考慮部分CZ-9鉆機。

d.試驗接頭管下設深度已成功到達62m,并且下設與起拔順利，能滿足施工需要。

e.通過試驗，膨潤土加高分子材料和正電膠泥漿在施工中的運用顯示了較好的固壁效果。

f.通過試驗可以看出，清孔完成后雖經歷了較長的下設接頭管及澆筑設備的時間，但是孔底淤積幾乎沒有增加，證明了沉渣厚度控制非常成功。

7.2 建 議

a.維護導墻及施工平臺穩定。為防孔口15m以上發生坍塌，防滲墻施工前對孔口下15m深度回填層進行分層碾壓加固，采用超常規方式(如C30混凝土、100cm厚導墻底板和前平臺等)構筑導墻及施工平臺是成功且必要的，尤其防止大型接頭管的下設與起拔對導墻的破壞，建議在下一步施工中進行應用。

b.加強固壁泥漿。試驗槽段在15～20m處以上發生了較大程度的漏漿現象，因此，有必要改進固壁泥漿各種參數試驗，進一步提高泥漿的固壁性能。

c.配備斗體較重的抓斗進行成槽。根據試驗地層分析，在0～50m左右孤石較少，為均質地層,上部回填層若碾壓密實，則上部漏漿情況可避免，地層正適合抓斗抓挖，效果將很好，如配備重型抓斗，按照試驗地層，預計可抓深度在75m左右，這可以大大提高后續施工造孔工效，同時減少鉆機數量，提高機械化程度，為大壩圍堰防滲墻工期創造有利條件。

d.增大接頭管直徑，減少擴孔工程量，進一步提高造孔工效。根據試驗情況，后續施工可以使用110cm接頭管，以減少擴孔工程量，提高造孔工效。

e.深挖管理潛力，加大施工設備管理力度。保證施工設備的連續有效運行時間，配置充足的重型鉆頭，盡可能減少設備檢修維護時間，是保障施工工期的重要措施。

f.根據試驗工效情況分析，建議在大壩圍堰防滲施工時配以性能良好的大型鋼絲繩抓斗進行“鉆抓法”施工。

g.根據混凝土澆筑情況反映，塑性混凝土和易性不穩定，主要是拌和樓在黏土添加時采用的是人工摻料，添量誤差較大。建議下一步拌和樓安設專用黏土添加設備。